Otevřený vs. uzavřený blok motoru: Úspora, nebo neprůstřelná pevnost?
Při výběru nebo úpravě spalovacího motoru se většinou řeší objem, počet válců, přeplňování či materiály. Zásadní vliv na pevnost, chlazení i celkové provozní vlastnosti má však také konstrukce horní plochy bloku. Způsob, jakým jsou uloženy válce vůči chladicímu plášti, totiž předurčuje nejen to, kolik výkonu motor snese, ale i jak rychle se ohřeje.
Když z motoru sundáte hlavu válců, naskytne se pohled na horní část bloku motoru, v angličtině a hantýrce označovanou jako „deck“. Jde o vrchní dosedací plochu bloku, na kterou dosedá těsnění pod hlavou. A právě zde, v prostoru, kde se válce potkávají s chladicím pláštěm, se láme chleba.
Konstruktéři při návrhu bloku nesledují pouze mechanickou pevnost. Dnešní vývoj je spíše šachovou partií mezi emisními normami, rychlostí ohřevu motoru, spotřebou paliva, výrobními náklady a hmotností. Výsledkem musí být rozhodnutí o způsobu, jakým jsou válce v bloku ukotveny.
Otevřený blok (open deck): Král zahřívání a masové výroby
Drtivá většina dnešních běžných civilních aut spoléhá na takzvaný open deck, tedy zcela otevřenou konstrukci. Válce v tomto případě stojí uvnitř bloku jako samostatné volné komíny a v horní části nejsou s vnějším pláštěm bloku nijak spojeny. Okolo nich se rozprostírá souvislý otevřený prostor pro chladicí kapalinu.
Proč je toto řešení v dnešní době tak extrémně populární? Odpověď leží v ekologii a ekonomice výroby. Blok typu open deck obsahuje méně materiálu, bývá velmi lehký a odlévá se pomocí vysokotlakého lití hliníku, což je rychlý a efektivní proces. Menší masa kovu v kombinaci s kapalinou proudící přímo kolem nejteplejší části spalovací komory znamená, že se motor po ranním startu ohřeje na provozní teplotu v krátkém čase. To zásadně snižuje spotřebu paliva i emise CO2 v prvních minutách jízdy.
Jakmile se motor plně ohřeje na provozní teplotu, výhoda open decku z hlediska ekonomiky provozu v podstatě mizí. V ustáleném režimu se spotřeba paliva rozdílných konstrukcí srovnává a pod vyšší zátěží může mít dokonce navrch tužší konstrukce.
Rubem mince otevřené konstrukce je nižší strukturální tuhost při vysoké mechanické zátěži. Dokud motor pracuje v sériovém nastavení nebo v atmosférickém režimu, funguje otevřený blok zpravidla spolehlivě.
Příklady jsou ikonické atmosférické motory Honda řady K (K20A/K24A) nebo starší šestiválce BMW (M52, M54, N52). Otevřený blok ale dostaly z výroby i mnohé přeplňované agregáty – například čtyřválec BMW N20, šestiválce N54 a N55 nebo známý pětiválec Volvo 2.5T.
Problém nastává v momentě, kdy se z takového bloku snažíte vydobýt výrazně vyšší výkon a radikálně zvýšíte plnicí tlak přeplňování či množství vzduchu za hranice továrního nastavení. V tu chvíli se projeví fyzikální limity této architektury.
Protože stěny válců nemají v horní části žádnou oporu, začnou se pod obrovským spalovacím tlakem nepatrně deformovat do oválu a mikroskopicky vibrovat. Těsnění pod hlavou tento neustálý pohyb dlouhodobě neudrží, což vede ke ztrátě komprese, únikům provozních kapalin a přehřívání. Deformace do oválu navíc zvyšuje tření pístních kroužků. V krajních případech dochází po tuningu dokonce k přímému praskání tenkých volných stěn mezi jednotlivými válci.
Uzavřený blok (closed deck): Nezdolný ingot
Na opačném konci spektra stojí uzavřená konstrukce neboli closed deck. Horní plocha bloku je celistvý, souvislý kovový masiv. Chladicí kapalina proudí do hlavy válců pouze skrz menší vyvrtané nebo odlité otvory pro průtok vody. Válce jsou tak po celé své délce a po celém obvodu nahoře pevně zalité do tělesa bloku.
Tato architektura nabízí nejvyšší strukturální tuhost. Jelikož si válec udržuje dokonale kruhový tvar i pod brutálním tlakem, mohou konstruktéři použít pístní kroužky s nižším přítlakem, což po zahřátí snižuje vnitřní tření motoru.
V litinové variantě se konstrukce closed-deck zapsala do historie u přeplňovaných legend, jako jsou šestiválce Toyota 2JZ-GTE a Nissan RB26DETT. Z atmosférických legend je to třeba motor BMW S54 z M3 E46. Closed-deck konstrukci využívá také naprostá většina naftových motorů včetně 1.9 TDI, kde je nutností pro zvládnutí obrovských kompresních tlaků. V celohliníkovém provedení reprezentují closed deck špičkové moderní turbomotory BMW B58, S58 či S55, a ze starší školy také japonský dvoulitr Nissan SR20DET.
Nevýhodou uzavřené konstrukce zůstává větší masa materiálu, pomalejší ohřev na provozní teplotu, což mírně zvyšuje spotřebu a emise na krátkých trasách, a také vyšší výrobní náklady spojené se složitějším litím.
Semi-Closed Deck: Kombinuje obojí
Protože současný trh vyžaduje vysoké výkony z malých přeplňovaných objemů, ale zároveň neúprosně tlačí na nízkou hmotnost a nízkou spotřebu, museli inženýři vytvořit ideální kompromis. Tím je polo-uzavřená konstrukce, semi-closed deck.
Jde v podstatě o blok typu open-deck, který je však v horní části přemostěn masivními odlitými výztuhami neboli můstky. Tyto hliníkové vzpěry drží stěny válců pevně na svém místě, čímž motoru dávají přibližně 80 až 90 % tuhosti uzavřeného bloku. Zároveň však mezi můstky zůstává dostatek místa pro rychlé proudění chladicí kapaliny a blok si zachovává nízkou hmotnost.
Dnes je semi-closed deck skvělým standardem u moderních sportovních a výkonných vozů. Používá ho například kultovní plochý čtyřválec Subaru EJ257 z Imprezy WRX STI, dvoulitrové turbo Honda K20C1 z Civicu Type R či čtyřválec 2.3 EcoBoost ve Fordu Focus RS. Výrobci díky tomu získali motor, který plní přísné emisní limity, nezatěžuje nadměrně přední nápravu, rychle se ohřeje, a přesto zvládne bezpečně pracovat s vysokým plnicím tlakem z továrny.
Ani polo-uzavřená konstrukce ale není bez stínů. Oproti čistému open decku je její výroba o něco složitější a dražší. A chladicí kanálky vyžadují velmi přesné proudění chladiva kolem výztuh. Z hlediska extremů pak nedosahuje absolutní neprůstřelnosti plného closed decku.
| Srovnání typů konstrukcí bloků motoru | |||
Open deck (otevřený blok) | Closed deck (uzavřený blok) | Semi-closed deck (polo-uzavřený blok) | |
| Pevnost bloku | Nízká | Extrémní | Vysoká |
| Rychlost ohřevu | Nejrychlejší | Nejpomalejší | Rychlá |
| Výrobní cena | Nízká | Vysoká | Střední |
| Odolnost vůči tuningu | Nízká | Špičková | Vysoká |
| Typické příklady | Honda K20A, BMW N54/N55 | Toyota 2JZ, BMW B58, 1.9 TDI, EA888 | Subaru EJ257, Ford 2.3 EcoBoost |
Architektura horní dosedací plochy bloku je extrémně důležitým prvkem, ale nepůsobí o samotě. Celková odolnost motoru je vždy výsledkem celkové konstrukční harmonie. Roli hraje použitý materiál, tloušťka stěn válců, dimenzování hlavových šteftů i pevnost spodní části bloku. Samotný deck je však základním stavebním kamenem.
Neexistuje jedno univerzálně nejlepší řešení, existuje pouze správná konstrukce pro konkrétní účel. Open deck šetří palivo i emise při každodenním dojíždění, closed deck chrání nejvýkonnější speciály před destrukcí a semi-closed deck propojuje to nejlepší z obou světů pro moderní éru rychlých vozů.
Zdroje: Autoscore, BMWblog, BMW of Bridgewater, CarBuzz, FCP Euro, High Performance Academy
